能自动适应堰体变形的复合土工膜防渗结构及施工方法技术领域
本发明涉及一种能自动适应堰体变形的复合土工膜防渗结构及施工方法，
主要适用于水电水利工程中采用复合土工膜防渗的高土石围堰、土石坝等类似
工程。
背景技术
随着我国西部大开发战略的实施，土石围堰高度及规模逐年加大，由于施
工便利性及经济性，不少围堰采用斜墙式复合土工膜防渗的型式。高土石围堰
技术难度也随围堰规模增加而提升，在复合土工膜与岸边趾板连接处或与防渗
墙的接头处，由于水压力及自重作用，使得堰体整体变形并与刚性连接处产生
相对位移，而这些相对位移仅由连接处周围极小范围内复合土工膜承担，若该
处伸缩节设置不当，复合土工膜将产生明显的应变集中并发生拉伸或剪切破坏，
其破坏现象已在多个土石围堰运行或拆除时发现，复合土工膜与岸边趾板连接
处或与防渗墙顶部混凝土盖帽搭接处均有不同程度的损坏。破坏机理也已经为
离心模型试验及数值计算所证实。
在复合土工膜与岸边趾板及防渗墙的连接部位，由于复合土工膜铺设在模
量较小的颗粒填料上，与刚性连接处存在较大的相对变位，以往工程多在该处
设置水平叠层型式的伸缩节，但该类型伸缩节容易被上覆填料及水荷载所压紧
难以展开而失去应有作用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种能自动适应
堰体变形的复合土工膜防渗结构及施工方法，旨在减小复合土工膜与混凝土趾
板连接处或与混凝土防渗墙顶部混凝土盖帽搭接处的损坏程度。
本发明所采用的技术方案是：一种能自动适应堰体变形的复合土工膜防渗
结构，该防渗结构包括混凝土构筑物和与之连接的垫料层，所述混凝土构筑物
与垫料层之间设置具有防渗功能的复合土工膜，其特征在于：所述复合土工膜
包括上保护层PE膜、下保护层PE膜、U型伸缩节和辅助性水平伸缩节，其中：
U型伸缩节竖直设置，U型开口端朝上，U型伸缩节的一端固定于混凝土构筑物
内，另一端水平向延伸并与辅助性水平伸缩节的一端相接，辅助性水平伸缩节
的另一端与堰体的其它防渗土工膜相接；所述上保护层PE膜和下保护层PE膜
一端与混凝土构筑物粘接，另一端顺应U型伸缩节和辅助性水平伸缩节的形状
覆盖同步向外延伸；所述辅助性水平伸缩节为双向三层式水平折叠。
所述U型伸缩节的U型槽内填充泡沫板。
所述辅助性水平伸缩节的折叠接触面之间衬有光面PE膜，辅助性水平伸缩
节的末端留出用于拼接的引出接头。
所述混凝土构筑物为混凝土趾板，趾板一侧为岸边基岩，另一侧与垫料层
连接，混凝土趾板底板与岸边基岩之间由锚筋和固结灌浆连接并沿混凝土趾板
的轴线设置灌浆帷幕；所述U型伸缩节的里端预埋于混凝土趾板内，上保护层
PE膜和下保护层PE膜的里端通过沥青与混凝土趾板表面粘接，上保护层PE膜
和下保护层PE膜的后续部分覆盖于U型伸缩节和辅助性水平伸缩节的表面。
所述混凝土构筑物为防渗墙，防渗墙上端为混凝土盖帽和导向墙；所述U
型伸缩节的里端预埋于混凝土盖帽内，上保护层PE膜和下保护层PE膜的里端
通过沥青与混凝土盖帽表面粘接，上保护层PE膜和下保护层PE膜的后续部分
覆盖于U型伸缩节和辅助性水平伸缩节的表面。
一种能自动适应堰体变形的复合土工膜防渗结构的施工方法，其特征在于
步骤如下：
a、混凝土趾板及防渗系统设置：混凝土趾板一侧为岸边基岩，另一侧与垫
料层连接，混凝土趾板底板与岸边基岩之间由锚筋和固结灌浆连接并沿混凝土
趾板的轴线设置灌浆帷幕；混凝土趾板厚度为1.5m，并在混凝土趾板沿轴线方
向每隔9～12m设置一道沉降缝；灌浆帷幕的深度范围为5Lu～10Lu；
b、垫料层设置：垫料层颗粒采用级配良好的天然砂砾料或天然砂砾料掺人
工砂填筑压实，垫料层厚度为60cm，最大颗粒直径小于4cm；
c、下保护层PE膜的黏贴与铺设：在趾板混凝土侧壁上按照后续U型伸缩
节一翼的深度涂刷厚0.2mm的沥青，将下保护层PE膜的一端粘接于该沥青面
上，另一端顺应U型伸缩节和辅助性水平伸缩节的下表面形状覆盖向外延伸；
下保护层PE膜6采用光面HDPE材料，膜厚度为0.2mm；
d、U型伸缩节的铺设：U型伸缩节竖直设置，U型开口端朝上，U型伸缩
节的一端预埋于混凝土趾板内，预埋长度大于150cm，另一端向外水平延伸，U
型伸缩节单向高度为25cm，U型伸缩节内部填充厚2cm的泡沫板；
e、辅助性水平伸缩节的铺设：在U型伸缩节顶面位置、距离U型伸缩节
10～20cm处设置与U型伸缩节的一端相接的辅助性水平伸缩节，辅助性水平伸
缩节的另一端与堰体的其它防渗土工膜相接；水平伸缩节采用双向三层式水平
折叠，中心处两侧宽度各为25cm，折叠接触面之间以0.2mm厚的光面PE膜隔
开；
f、上保护层PE膜的黏贴与铺设：在趾板混凝土的侧壁上涂刷厚0.2mm的
沥青，将上保护层PE膜的一端粘接于该沥青面上，另一端顺应U型伸缩节和辅
助性水平伸缩节的上表面形状覆盖向外延伸，超出辅助性水平伸缩节的长度大
于10cm；
g、引出接头预留：在辅助性水平伸缩节的末端留出用于拼接的引出接头并
剥掉端头50cm的土工布露出主膜，引出接头与围堰上游面大面积复合土工膜进
行焊接；最后在上保护层PE膜上方喷混凝土保护层。
本发明另一种能自动适应堰体变形的复合土工膜防渗结构的施工方法，其
特征在于步骤如下：
a、混凝土防渗墙及防渗系统设置：混凝土防渗墙上端为混凝土盖帽和导向
墙，混凝土盖帽两边连接垫料层；
b、垫料层设置：垫料层颗粒采用级配良好的天然砂砾料或天然砂砾料掺人
工砂填筑压实，垫料层厚度为60cm，最大颗粒直径小于4cm；
c、下保护层PE膜的黏贴与铺设：在混凝土盖帽侧壁上按照后续U型伸缩
节一翼的深度涂刷厚0.2mm的沥青，将下保护层PE膜的一端粘接于该沥青面
上，另一端顺应U型伸缩节和辅助性水平伸缩节的下表面形状覆盖向外延伸；
下保护层PE膜采用光面HDPE材料，膜厚度为0.2mm；
d、U型伸缩节的铺设：U型伸缩节竖直设置，U型开口端朝上，U型伸缩
节的一端预埋于混凝土盖帽内，预埋长度大于150cm，另一端向外水平延伸，U
型伸缩节单向高度为25cm，U型伸缩节内部填充厚2cm的泡沫板；
e、辅助性水平伸缩节的铺设：在U型伸缩节顶面位置、距离U型伸缩节
10～20cm处设置与U型伸缩节的一端相接的辅助性水平伸缩节，辅助性水平伸
缩节的另一端与堰体的其它防渗土工膜相接；水平伸缩节采用双向三层式水平
折叠，中心处两侧宽度各为25cm，折叠接触面之间以0.2mm厚的光面PE膜隔
开；
f、上保护层PE膜的黏贴与铺设：在混凝土盖帽的侧壁上涂刷厚0.2mm的
沥青，将上保护层PE膜的一端粘接于该沥青面上，另一端顺应U型伸缩节和辅
助性水平伸缩节的上表面形状覆盖向外延伸，超出辅助性水平伸缩节的长度大
于10cm；
g、引出接头预留：在辅助性水平伸缩节的末端留出用于拼接的引出接头并
剥掉端头50cm的土工布露出主膜，引出接头与围堰上游面大面积复合土工膜进
行焊接；最后在上保护层PE膜上方填筑压实颗粒保护层。
本发明的有益效果是：本发明为一种能自动适应堰体变形的复合土工膜防
渗结构及施工方法，用于斜墙式复合土工膜高土石围堰岸坡的混凝土趾板、河
床部位的防渗墙连接处复合土工膜应变集中的控制，改善了复合土工膜与混凝
土趾板连接处或与混凝土防渗墙的接头处，由于水压力及自重作用，使得堰体
整体变形并与刚性连接处产生的相对位移；减小了复合土工膜产生明显的应变
集中以及拉伸或剪切破坏，即减小了复合土工膜与混凝土趾板连接处或与混凝
土防渗墙顶部混凝土盖帽搭接处存在的损坏程度。
附图说明
图1是本发明的实施例一的剖面布置图。
图2是本发明中A部放大图。
图3是本发明的实施例二的剖面布置图。
具体实施方式
本发明为一种能自动适应堰体变形的复合土工膜防渗结构及施工方法，主
要适用于水电水利工程中采用复合土工膜防渗的高土石围堰、土石坝等类似工
程。
所述防渗结构包括混凝土构筑物(混凝土趾板或混凝土防渗墙)和与之连
接的垫料层5，设置在混凝土构筑物与垫料层之间具有防渗功能的复合土工膜；
该复合土工膜防渗结构适用于高土石围堰岸坡时，混凝土构筑物为混凝土趾板
1；该复合土工膜防渗结构适用于河床段时，混凝土构筑物为混凝土防渗墙12；
复合土工膜包括上保护层PE膜10、下保护层PE膜6、U型伸缩节7和辅助性
水平伸缩节9。
其中：U型伸缩节7竖直设置，U型开口端朝上，U型槽内填充厚2cm的
泡沫板8；U型伸缩节7的一端固定于混凝土构筑物内，另一端水平向延伸并与
辅助性水平伸缩节9的一端相接，辅助性水平伸缩节的另一端与堰体的其它防
渗土工膜相接；辅助性水平伸缩节9为双向三层式水平折叠，并在辅助性水平
伸缩节9的折叠接触面之间衬有光面PE膜，辅助性水平伸缩节9的末端留出用
于拼接的引出接头11；上保护层PE膜10和下保护层PE膜6一端与混凝土构
筑物粘接，另一端顺应U型伸缩节7和辅助性水平伸缩节9的形状覆盖同步向
外延伸。下面将通过实施例具体介绍本发明分别应用于混凝土趾板和混凝土防
渗墙的结构及方法：
实施例一：如图1、图2所示，本例的混凝土构筑物为混凝土趾板1，趾板
一侧为岸边基岩15，另一侧与垫料层5连接，混凝土趾板1底板与岸边基岩之
间由锚筋4和固结灌浆2连接并沿混凝土趾板1的轴线设置灌浆帷幕3；U型伸
缩节7的里端预埋于混凝土趾板1内，上保护层PE膜10和下保护层PE膜6
的里端通过涂刷厚0.2mm的沥青与混凝土趾板1表面粘接，上保护层PE膜10
和下保护层PE膜6的后续部分分别覆盖于U型伸缩节7和辅助性水平伸缩节9
的上表面和下表面。
实施例一的施工方法如下：
a、混凝土趾板1及防渗系统设置：混凝土趾板1一侧为岸边基岩15，为复
合土工膜提供基座，并保证复合土工膜与岸边基岩15构成封闭的防渗体系；另
一侧与垫料层5连接，混凝土趾板1底板与岸边基岩之间由锚筋4和固结灌浆2
连接并沿混凝土趾板1的轴线设置灌浆帷幕3；混凝土趾板1厚度为1.5m，混
凝土趾板1的轴线布置整体应平滑过度，不宜出现较大的转角以保证复合土工
膜的平顺连接，并沿轴线方向每隔9～12m设置一道沉降缝；灌浆帷幕3的深度
按围堰级别及挡水水头确定，一般为5Lu～10Lu(Lu：吕荣，岩体透水率单位)；
b、垫料层5设置：垫料层5下方为石渣堰体，垫料层5颗粒采用级配良好
的天然砂砾料或天然砂砾料掺人工砂填筑压实，垫料层5厚度为60cm，最大颗
粒直径不超过4cm；垫料层5的填筑分两期，第一期将垫料层5填筑至U型伸
缩节7底面位置，第二期待U型伸缩节弯折、铺叠到位后，将垫料层5填筑至
辅助性水平伸缩节9底面位置；为减少复合土工膜整体变形，垫料层5填筑时
采用小型振动碾碾压密实，从而获得较大的变形模量；
c、下保护层PE膜6的黏贴与铺设：为防止U型伸缩节7下表面的施工及
运行期的外力破坏，需设置下保护层PE膜6，该下保护层PE膜采用光面HDPE
材料，膜厚度一般为0.2mm，能隔绝防渗复合土工膜与混凝土趾板1糙面的直
接接触摩擦，也能隔绝复合土工膜与垫料层5的接触摩擦、顶破及穿透，有效
保护防渗层；同时，利用光面PE膜提供低摩擦系数的接触面，可使伸缩节自由
滑动适应变形；下保护层PE膜6的铺设、弯折型式与后续伸缩节保持一致，为
便于定位，先在趾板混凝土1侧壁上按照后续U型伸缩节7一翼的深度涂刷厚
0.2mm的沥青，后将下保护层PE膜的一端黏贴固定在混凝土趾板1的侧壁上，
其它部位衬垫于U型伸缩节下部，即顺应U型伸缩节7和辅助性水平伸缩节9
的下表面形状覆盖向外延伸；
d、U型伸缩节7的铺设：U型伸缩节7竖直设置，U型开口端朝上，U型
伸缩节的一端预埋于混凝土趾板1内，预埋长度大于150cm，另一端向外水平
延伸，U型伸缩节单向高度为25cm(具体可通过计算确定复合土工膜与趾板混
凝土1的相对变形确定)；为防止U型伸缩节两侧复合土工膜直接接触后摩擦力
较大被压死难以伸展开，U型伸缩节内部填充厚2cm的泡沫板8，并在该泡沫
板定型后采用垫料层埋实U型伸缩节7；
e、辅助性水平伸缩节9的铺设：为辅助U型伸缩节7发挥作用，同时也防
止由于堰体填筑料性质或施工质量较差导致堰体变形较大超出U型伸缩节设计
幅长时，需要设置水平向的辅助性水平伸缩节9；在U型伸缩节7顶面位置、
距离U型伸缩节10～20cm处设置与U型伸缩节7的一端相接的辅助性水平伸缩
节9，辅助性水平伸缩节的另一端与堰体的其它防渗土工膜相接；水平伸缩节采
用双向三层式水平折叠，中心处两侧宽度各为25cm，折叠接触面之间以0.2mm
厚的光面PE膜隔开，以减小水平伸缩节折叠接触面之间的摩擦力，利于该水平
伸缩节展开而发挥作用；
f、上保护层PE膜10的黏贴与铺设：在趾板混凝土1的侧壁上涂刷厚0.2mm
的沥青，将上保护层PE膜10的一端粘接于该沥青面上，另一端顺应U型伸缩
节7和辅助性水平伸缩节9的上表面形状覆盖向外延伸，超出辅助性水平伸缩
节9的长度大于10cm；上保护层PE膜10的作用原理同下保护层PE膜6，保
护伸缩节上表面免遭施工及运行期的外力破坏，同时，提供低摩擦接触表面易
于使伸缩节滑动变形；
g、引出接头11预留：在辅助性水平伸缩节9的末端留出用于拼接的引出
接头11、并为防止水流沿土工布渗出剥掉其端头50cm的土工布露出主膜，引
出接头与围堰上游面大面积复合土工膜进行焊接；最后在上保护层PE膜10上
方喷混凝土保护层。
实施例二：如图2、图3所示，本例的混凝土构筑物为防渗墙12，防渗墙
上端为混凝土盖帽13和导向墙14；U型伸缩节7的里端预埋于混凝土盖帽13
内，上保护层PE膜10和下保护层PE膜6的里端通过涂刷厚0.2mm的沥青与
混凝土盖帽13表面粘接，上保护层PE膜10和下保护层PE膜6的后续部分分
别覆盖于U型伸缩节7和辅助性水平伸缩节9的上表面和下表面。
实施例二的施工方法如下：
a、混凝土防渗墙12及防渗系统设置：混凝土防渗墙12上端为混凝土盖帽
13和导向墙14，混凝土盖帽13两边连接垫料层5；
b、垫料层5设置：垫料层5下方为石渣堰体，垫料层颗粒采用级配良好的
天然砂砾料或天然砂砾料掺人工砂填筑压实，垫料层5厚度为60cm，最大颗粒
直径不超过4cm；垫料层5的填筑分两期，第一期将垫料层5填筑至U型伸缩
节7底面位置，第二期待U型伸缩节弯折、铺叠到位后，将垫料层5填筑至辅
助性水平伸缩节9底面位置；为减少复合土工膜整体变形，垫料层5填筑时采
用小型振动碾碾压密实，从而获得较大的变形模量；
c、下保护层PE膜6的黏贴与铺设：为防止U型伸缩节7下表面的施工及
运行期的外力破坏，需设置下保护层PE膜6，该下保护层PE膜采用光面HDPE
材料，膜厚度一般为0.2mm，能隔绝防渗复合土工膜与混凝土盖帽13糙面的直
接接触摩擦，也能隔绝复合土工膜与垫料层5的接触摩擦、顶破及穿透，有效
保护防渗层；同时，利用光面PE膜提供低摩擦系数的接触面，可使伸缩节自由
滑动适应变形；下保护层PE膜6的铺设、弯折型式与后续伸缩节保持一致，为
便于定位，先在混凝土盖帽13侧壁上按照后续U型伸缩节7一翼的深度涂刷厚
0.2mm的沥青，后将下保护层PE膜的一端黏贴固定在混凝土盖帽13的侧壁上，
其它部位衬垫于U型伸缩节下部，即顺应U型伸缩节7和辅助性水平伸缩节9
的下表面形状覆盖向外延伸；
d、U型伸缩节7的铺设：U型伸缩节7竖直设置，U型开口端朝上，U型
伸缩节的一端预埋于混凝土盖帽13内，预埋长度大于150cm，另一端向外水平
延伸，U型伸缩节单向高度为25cm(具体可通过计算确定复合土工膜与混凝土
盖帽13的相对变形确定)；为防止U型伸缩节两侧复合土工膜直接接触后摩擦
力较大被压死难以伸展开，U型伸缩节内部填充厚2cm的泡沫板8，并在该泡
沫板定型后采用垫料层埋实U型伸缩节7；
e、辅助性水平伸缩节9的铺设：为辅助U型伸缩节7发挥作用，同时也防
止由于堰体填筑料性质或施工质量较差导致堰体变形较大超出U型伸缩节设计
幅长时，需要设置水平向的辅助性水平伸缩节9；在U型伸缩节7顶面位置、
距离U型伸缩节10～20cm处设置与U型伸缩节7的一端相接的辅助性水平伸缩
节9，辅助性水平伸缩节的另一端与堰体的其它防渗土工膜相接；水平伸缩节采
用双向三层式水平折叠，中心处两侧宽度各为25cm，折叠接触面之间以0.2mm
厚的光面PE膜隔开，以减小水平伸缩节折叠接触面之间的摩擦力，利于该水平
伸缩节展开而发挥作用；
f、上保护层PE膜10的黏贴与铺设：在混凝土盖帽13的侧壁上涂刷厚0.2mm
的沥青，将上保护层PE膜10的一端粘接于该沥青面上，另一端顺应U型伸缩
节7和辅助性水平伸缩节9的上表面形状覆盖向外延伸，超出辅助性水平伸缩
节9的长度大于10cm；上保护层PE膜10的作用原理同下保护层PE膜6，保
护伸缩节上表面免遭施工及运行期的外力破坏，同时，提供低摩擦接触表面易
于使伸缩节滑动变形；
g、引出接头11预留：在辅助性水平伸缩节9的末端留出用于拼接的引出
接头11、并为防止水流沿土工布渗出剥掉其端头50cm的土工布露出主膜，引
出接头与围堰上游面大面积复合土工膜进行焊接；最后在上保护层PE膜10上
方填筑压实颗粒保护层。
本实施例中，U型伸缩节7及辅助性水平伸缩节9作为应变缓冲装置，一
端连接趾板混凝土1或混凝土盖帽13，另一边则需引出接头11与堰体上游面大
面积防渗复合土工膜相接，复合土工膜中PE膜的连接采用粘结或焊接形式，采
用焊接时长度不小于10cm，局部焊接不着时采用粘结方式，搭接不应小于15cm，
两侧土工织物则采用粘结或缝接，PE膜接缝拼接强度不低于母材的抗拉强度，
土工织物接缝的拼接强度不低于母材的70％。